Científicos de UCLA logran guiar el calor como si fuera luz a temperatura ambiente

La gestión eficiente del calor en materiales sólidos se convirtió en un aspecto crucial para el desarrollo de dispositivos electrónicos más rápidos y confiables. Hasta ahora, se había observado un fenómeno llamado "focalización de fonones" solo a temperaturas extremadamente bajas, lo que dificultó su estudio y limitó sus aplicaciones. Sin embargo, un grupo de investigadores de la UCLA Samueli School of Engineering demostró que los fonones, que son las vibraciones atómicas que transportan el calor, pueden trasladarse a través de un material en trayectorias concentradas y similares a rayos a temperatura ambiente.

En lugar de dispersarse de manera uniforme en todas las direcciones, el calor puede seguir rutas determinadas por la estructura de un cristal. Este hallazgo podría abrir nuevas vías para controlar el calor en tecnologías avanzadas y en dispositivos cuánticos.

Guiando el calor a través del arsenurio de boro

El estudio, publicado en la revista Nature Physics, fue liderado por Yongjie Hu, profesor de ingeniería mecánica y aeroespacial en UCLA. Su equipo observó la focalización de fonones a temperatura ambiente en el arsenurio de boro, un semiconductor cristalino conocido por su alta conductividad térmica.

Materiales como el arsenurio de boro podrían permitir a los ingenieros dirigir el calor a lo largo de rutas planificadas con precisión a escala nanométrica, en lugar de esperar a que se disperse y luego intentar eliminarlo. Este proceso es similar a la forma en que las fibras ópticas canalizan la luz a lo largo de un camino controlado.

Para observar este comportamiento, los investigadores desarrollaron una técnica para mapear la temperatura a escala nanométrica. En materiales convencionales, el calor se dispersa en patrones circulares, lo que es consistente con la conducción térmica difusiva normal. Sin embargo, el arsenurio de boro produjo un resultado muy diferente. Los mapas de temperatura revelaron patrones distintos en forma de rayos alineados con direcciones específicas en el cristal.

Estructura cristalina y flujo de calor

Los investigadores también encontraron que el patrón del flujo de calor cambiaba de manera predecible cuando se modificaba la orientación del cristal. Diferentes planos del arsenurio de boro producían patrones de focalización de seis, ocho y cuatro rayos.

Este comportamiento cuántico de los fonones se mantuvo detectable a lo largo de distancias de un micrómetro y podría extenderse por decenas de micrómetros, un rango suficiente para ser útil en muchos dispositivos electrónicos, fotónicos y cuánticos modernos.

"Esta es una observación fundamental que nos permite pensar en la gestión térmica de una nueva manera", afirmó Hu, autor correspondiente del estudio y miembro del California NanoSystems Institute en UCLA. "Al permitir que el calor sea guiado, enfocado y redistribuido con precisión a escala nanométrica a temperatura ambiente, este descubrimiento establece una base para la ingeniería térmica cuántica".

Beneficios potenciales para dispositivos de IA y cuánticos

La capacidad de controlar el calor a nivel atómico podría ayudar a abordar importantes limitaciones en hardware de IA, dispositivos microelectrónicos, sistemas aeroespaciales y otras tecnologías electrónicas. El sobrecalentamiento puede reducir el rendimiento, la fiabilidad y la escalabilidad en todas estas tecnologías.

Hu comentó que el descubrimiento también podría permitir ajustar cómo los fonones interactúan con electrones y otros portadores de energía, lo que podría respaldar futuros avances en sistemas de información cuántica y tecnologías de detección.

Observaciones anteriores de la focalización de fonones se habían restringido en su mayoría a temperaturas apenas superiores al cero absoluto. En esas condiciones, los fonones pueden viajar largas distancias sin dispersarse. A temperatura ambiente, los fonones generalmente se dispersan con mayor frecuencia y pierden rápidamente la coherencia necesaria para el transporte basado en ondas, lo que provoca que el calor se difunda a través de la difusión ordinaria.

Por qué el arsenurio de boro es diferente

Los nuevos hallazgos se basan en el trabajo previo de Hu, quien descubrió experimentalmente el arsenurio de boro en 2018. Desde entonces, su grupo ha desarrollado interfaces térmicas de alto rendimiento y dispositivos de nitruro de galio que incorporan arsenurio de boro para la refrigeración. Estos resultados han subrayado el potencial del material para sistemas semiconductores de próxima generación.

El arsenurio de boro experimenta una dispersión de fonones inusualmente débil, lo que permite que el transporte de calor basado en ondas continúe incluso a temperatura ambiente. Los patrones de calor observados en los experimentos coincidieron estrechamente con los cálculos teóricos, lo que confirmó que los fonones en el material pueden viajar distancias inusualmente largas antes de dispersarse, lo que es una razón central por la cual el comportamiento basado en ondas puede sobrevivir a temperatura ambiente.

Otros autores del estudio incluyen a Man Li, Huan Wu, Zihao Qin, Chuanjin Su y Huu Duy Nguyen, todos estudiantes de posgrado actuales o anteriores en el laboratorio de Hu en UCLA Samueli.

El financiamiento provino del Departamento de Energía de EE. UU., la Fundación Nacional de Ciencias, el Instituto Nacional de Ciencias Médicas Generales y un fondo de donación de Parag y Falguni Patel. Los recursos computacionales fueron proporcionados por el Research Technology Group en el UCLA Institute for Digital Research and Education y por Bridges 2 en el Pittsburgh Supercomputing Center.